PAGEVI摘要鍋爐是典型的復雜熱工系統，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十萬臺，由于設備分散、管理不善或技術原因，使多數鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關注的焦點，而汽包水位是工鍋爐安全、穩定運行的重要指標，保證水位控制在給定范圍內，對于高蒸汽品質、減少設備損耗和運行損耗、確保整個網絡安全運行具有要意義。鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產和提供優質蒸汽的重要參數，對現代工業生產來說尤其是這樣。因為現代鍋爐的特點之一就是蒸發量顯著提高，汽包容積相對變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故，因此，必須嚴格控制水位在規定范圍之內。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環鍋爐汽水循環系統中某些薄弱環節，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現自動調節提出了迫切的要求。汽包水位的控制是鍋爐控制的一個難點，目前，對汽包水位控制大多采用常規PID控制方式，傳統的常規PID控制方式是根據控制對象的數學模型建立，由于鍋爐水位系統存在非線性、不確定性時滯和負荷干擾、非最小相位特征等，其精確的數學模型往往無法獲得而且常規PID控制的參數是固定不變的，難以適應各種擾動及對象變化，其控制效果往往難以滿足要求，控制效果不理想。模糊控制是建立在人工經驗基礎之上的，它能將熟練操作員的實經驗加以總結和描述，并用語言表達出來，得到定性的、不精確的控規則，不需要被控對象的數學模型。模糊控制易于被人們接受，構造容易，魯棒性和適應性好。鍋爐是工業過程中不可缺少的動力設備，為確保安全，穩定生產，對鍋爐的自動控制十分重要，其中汽包水位是一個非常重要的被控變量。由于鍋爐的水位調節過程難以建立數學模型，具有非線性、不穩定性、時滯等特點。給水控制的任務是維持汽包中水位在工藝允許范圍內。由于影響汽包水位的幾個因素中，燃料量的擾動影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調節給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側的影響，也受到汽輪機側的影響，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應能限制汽包水位只在給定的范圍內變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。傳統的鍋爐水位三沖量控制系統大都采用PID控制，其控制效果還可以進一步提高。而模糊控制不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要操作人員的經驗知識及操作數據，魯棒性強，非常適合用于非線性、滯后系統的控制。模糊控制器一般采用二維結構形式，即以誤差及誤差變化作用模糊控制器的輸入信號，根據二者模糊化的結果查詢模糊控制表，得到控制量的模糊量，再經去模糊化處理轉化為精確量去控制執行機構。基于鍋爐水位控制及模糊控制的特點，本文將模糊控制引入鍋爐汽包水位的三沖量控制中，作了以下一些試探性工作,對現有的模糊控制器的構成方式進行歸納總結。對汽包水位的模糊控制方式進行結構及性能上的分析和比較，并利用Simulink分別在設定值及在干擾作用下對控制系統進行仿真。關鍵詞:汽包水位；模糊控制；三沖量PAGEAbstractBoileristypicalcomplexthermalsystem,China,atpresent,varioustypesofboiler,scoreshavepalebecauseofadeviceordispersion,poormanagementandtechnicalreasonsthatmostboilerisingoodcondition,increasetheboilerefficiency,reducethefuelconsumption.Themodelingandcontrolproblemsofboilerisalwaysthefocusofattentionanddrumwaterlevelissecureandstableoperationoftheboilerwork,guaranteestheimportantindexofwatercontrolinagivenrange,highqualitysteamforlossandoperation,reducingequipment,insurethewholenetworksecurityistorun.Boilerdrumwaterlevelelevation,istoensuresafetyinproduction,andprovidequalityofimportantparametersforsteam,especiallythatformodernmanufacturingindustry.Becauseofthecharacteristicsofmodernboilerdrumisimprovedmarkedly,evaporationcapacity,waterrelativelylesschangequickly,abitnotpayingattentiontodrumwithwaterorburnintodrypot.Inmodernboileroperation,evenifistheshortageofaccident,isverydangerous,becausethewateristoolow,itwillaffectthenormal,naturalcyclewillmakeseriousonindividualfreedom,producewaterpipeformingcausesmetalpipeflowstagnation,localoverheatingandtube.Whateverisfullofwaterorwatercancauseanaccident,therefore,mustbestrictlycontrolledwithinthescopestipulatedinwater.Maintaindrumwaterlevelinagivenrangeistoguaranteethesafeoperationoftheboilerandsteamturbineprotectsthenecessaryconditionsforthenormaloperationoftheboiler,andisalsooneofmainindex.Highlevelwithinthedrum,willaffecttheeffect,maketheseparationofsaturatedsteamdrumexportsincreasedwithwater,steamturbineswithwaterwillproduceshock,causedamageshaftseals,etc.ThefaultaccidentAlsomakeshighercontentofsaturatedsteam,loweroverheatedsteamquality,increaseinsuperheaterwallandturbinebladeonthescale.Lowwatermaydestroythenaturalcyclesofboilersteaming-watercirculationsystem,someweaknesses,andthatlocalwater-cooledwallwasburntout,causingsevereexplosionaccidents.Theconsequencesareveryserious.Withtheincreasingcapacity,waterboilerchangesareincreasinglyfast,themorestrenuousmanualoperation,thustorealizeautomaticadjustingdrumwaterlevelforwardurgentlydemands.Drumwaterlevelcontrolisoneoftheboilercontrol,atpresent,thedifficultyofdrumwaterlevelcontrolmostoftheconventionalPIDcontrolmode,thetraditionalconventionalPIDcontrolmethodisbasedontheestablishedmathematicalmodelcontrolobject,duetotheboilerwatersystem,theuncertaintyofnonlineardelayandloaddisturbanceandnon-minimum-phasecharacteristics,theaccuratemathematicalmodeloftenunavailableandconventionalPIDcontrolparametersarefixed,difficulttoadapttoallkindsofdisturbancesandobjectchanges,thecontroleffectisoftendifficulttomeettherequirements,thecontroleffectisnotideal.Thefuzzycontrolisestablishedonthebasisofartificialexperience,itcanbeskilledoperatorsandtherealexperiencesummarized,andlanguageexpressioncomesout,getaqualitative,notaccuratecontrolrules,neednotbechargedobjectmathematicalmodel.Fuzzycontroliseasytobeacceptedbypeople,easily,robustnessandadaptability.Intheprocessofindustrialboileristheindispensableequipment,inordertoensurethesafe,stableproduction,theautomaticcontrolofboilerdrumwaterlevelisveryimportant,whichisaveryimportantthecontrolledvariables.Becauseoftheboilerwaterregulationprocesstoestablishmathematicalmodelwithnonlinearandinstability,delay,etc.Thetaskistomaintainwatercontrolintheprocessofdrumwaterlevelwithinthelimits.Duetotheeffectofseveralfactorsdrumwaterlevelofthedisturbanceeffect,fuel,therefore,smalldrumwaterlevelcontrol,mainpurposeisforthecontrolledvariablesdrumwaterlevel,waterflowtoadjusttocontrolmethod.Atthesametime,becausenotonlybyboilerdrumwaterlevel,andtheinfluencesofsidebysideeffects,whilesteamboilerloadorsteamturbineYongQiLiangchanges,watercontrolshouldbelimitedtoonlyinadrumwaterlevelwithinthescopeofchange.Commonlyuseddrumwaterlevelcontrolmodeissingle,doubleimpulseandimpulseimpulsecontrolthree.ThetraditionalboilerwaterimpulsecontrolsystemarethreePIDcontrol,thecontroleffectcanbeimproved.Andthefuzzycontroldoesnotrequirethatcontrolledobjectmathematicalmodelof,onlyneedtooperatingpersonnelofexperienceandknowledgeoperationaldata,robust,verysuitablefornonlinearcontrolsystems,lag.Usuallyadoptsthefuzzycontrollerwithtwo-dimensionalstructure,functionandvariationsoftheerror.iterroroffuzzycontrollerbasedontheinputsignal,theresultsofbothfuzzyqueryfuzzycontroltable,thefuzzycontrolisobtained,thenthefuzzedintoaccuratequantitytocontrolactuator.Basedontheboilerwatercontrolandfuzzycontrolcharacteristics,thisarticlewillintroduceboilerdrumwaterlevelfuzzycontrolofimpulsecontrolinthree,someexploratorywork,theexistingmethodsofthefuzzycontrolleraresummarized.Drumwaterlevelofthefuzzycontrolstructureandperformanceanalysisandcomparison,andusingSimulinkrespectivelyinvalueandtheroleofcontrolsystem.Keywords:Drumwater;Fuzzycontrol;Three-variablePAGE13目錄引言 11鍋爐工作過程及其設備 21.1課題背景 21.2鍋爐的工作過程簡介 21.3鍋爐設備的調節任務 41.4本文研究內容 52鍋爐汽包水位特性及其控制 62.1鍋爐汽包水位的特性 62.1.1汽包水位在給水流量W作用下的動態特性 62.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態特性 72.1.3燃料量B擾動下汽包水位的動態特性 92.2汽包水位控制方式 102.2.1單沖量控制方式 102.2.2雙沖量控制方式 112.2.3三沖量控制方式 123模糊控制原理 153.1概述 153.1.1模糊控制的形成 153.1.2模糊控制的特點 153.2模糊控制系統組成 163.3模糊控制的工作原理 183.3.1模糊控制系統的組成 183.3.2模糊控制的基本原理 204汽包水位模糊控制器設計及仿真 214.1汽包水位的PID控制方式 214.1.1PID控制方式概述 214.2模糊控制器的設計方法 224.2.1模糊控制器的結構設計 224.2.2精確輸入量的模糊化 234.2.3確定控制規則 264.2.4模糊量的判決方法(解模糊) 294.3汽包水位的模糊控制器的設計 314.3.1模糊控制器結構 314.3.2模糊控制器的設計 314.3.3仿真結果 335………………………...35謝辭 36參考文獻 37引言鍋爐是典型的復雜熱工系統，目前，中國各種類型的鍋爐有幾十蒼白臺，由于設備分散、管理不善或技術原因，使多數鍋爐難以處于良好工況，增加了鍋爐的燃料消耗，降低了效率。鍋爐的建模與控制問題一直是人們關注的焦點，而汽包水位是工鍋爐安全、穩定運行的重要指標，保證水位控制在給定范圍內，對于高蒸汽品質、減少設備損耗和運行損耗、確保整個網絡安全運行具有要意義。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環鍋爐汽水循環系統中某些薄弱環節，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現自動調節提出了迫切的要求。模糊控制器一般采用二維結構形式，即以誤差及誤差變化作用模糊控制器的輸入信號，根據二者模糊化的結果查詢模糊控制表，得到控制量的模糊量，再經去模糊化處理轉化為精確量去控制執行機構。基于鍋爐水位控制及模糊控制的特點，本文將模糊控制引入鍋爐汽包水位的三沖量控制中，作了以下一些試探性工作,對現有的模糊控制器的構成方式進行歸納總結。對汽包水位的模糊控制方式進行結構及性能上的分析和比較，并利用Simulink分別在設定值及在干擾作用下對控制系統進行仿真。1．鍋爐工作過程及其設備1.1課題背景由前述可知，在鍋爐的幾個調節系統中，汽包水位的控制是保證鍋爐安全運行的必要條件，是鍋爐正常運行的主要標志之一。鍋爐的水位控制作為鍋爐控制中重要的控制任務之一，在鍋爐的安全生產、降低能耗、蒸汽產量和品質等方面起著重要作用。目前我國有各類鍋爐幾十萬臺，其中相當大的部分還在使用常規儀表控制。由于鍋爐水位存在一定的反向特性即“假水位”現象，而常規儀表所常用的PID算法對“假水位”現象的控制效果并不理想，若要較好的控制“假水位”現象，采用常規儀表所構成的控制器，其結構復雜性又會增加，造成成本較高。因此，研究新型的水位控制系統，使其能進一步提高水位控制的效果，同時又具有結構簡單、容易實現的特點，還是非常有必要的。另一方面，自從1965年美國加利福尼亞大學的Zadeh教授首先提出模糊數學和模糊控制以來，經過幾十年的研究，模糊控制得到廣泛發展并在實際中得以廣泛應用。這主要在于模糊邏輯本身提供了由專家構造語言信息并將其轉化為控制策略的一種系統的推理方法。模糊控制的突出特點在于:(1)控制系統的設計不要求知道被控對象的精確數學模型，只需要提供現場操作人員的經驗知識及操作數據。(2)控制系統的魯棒性強，適應于解決常規控制難以解決的非線性、時變及滯后系統。(3)以語言變量代替常規的數學變量，易于構造形成專家的“知識”。(4)控制推理采用“不精確推理”。由于推理過程模仿人的思維過程，引入了人類的經驗，因而能夠處理復雜系統。在一般的模糊控制系統中，通常采用偏差E及其變化EC為輸入語句變量，因此它具有類似于常規PID控制器的作用，缺點是靜態性能不能令人滿意。由于模糊控制作用能消除穩態誤差，又具有較高的動態響應。因此常常把PI控制策略引入模糊復合控制，是常用的一種方式。模糊控制在工業過程中有大量的成功應用，但在鍋爐水位控制上還沒有形成系統的理論，還存在一些不足，仍然有必要繼續研究。1.2鍋爐的工作過程簡介鍋爐是工業過程中不可缺少的動力設備，鍋爐的任務是根據外界負荷的變化，輸送一定質量(汽壓、汽溫)和相應數量的蒸汽。它所產生的蒸汽不僅能夠為蒸餾、化學反應、干燥等過程提供熱源，而且還可以作為風機、壓縮機、泵類驅動透平的動力源。鍋爐是由“鍋”和“爐”兩部分組成的。“鍋”就是鍋爐的汽水系統，如圖所示。由省煤器3、汽包4、下降管8、過熱器5、上升管7、給水調節閥2、給水母管1及蒸汽母管6等組成。鍋爐的給水用給水泵打入省煤器，在省煤器中，水吸收煙氣的熱量，使溫度升高到本身壓力下的沸點，成為飽和水然后引入汽包。汽包中的水經下降管進入鍋爐底部的下聯箱，又經爐膛四周的水冷壁進入上聯箱，隨即又回入汽包。水在水冷壁管中吸收爐內火焰直接輻射的熱，在溫度不變的情況下，一部分蒸發成蒸汽，成為汽水混合物。汽水混合物在汽包中分離成水和汽，水和給水一起再進入下降管參加循環，汽則由汽包頂部的管子引往過熱器，蒸汽在過熱器中吸熱、升溫達到規定溫度，成為合格蒸汽送入蒸汽母管。圖1.1鍋爐的汽水系統“爐”就是鍋爐的燃燒系統，由爐膜、煙道、噴燃器、空氣預熱器等組成。鍋爐燃料燃燒所需的空氣由送風機送入，通過空氣預熱器，在空氣預熱器中吸收煙氣熱量，成為熱空氣后，與燃料按一定的比例進入爐膛燃燒，生成的熱量傳遞給蒸汽發生系統，產生飽和蒸汽。然后經過過熱器，形成一定的過熱蒸汽，匯集到蒸汽母管。具有一定壓力的過熱蒸汽，經過負荷設備調節閥供負荷設備使用。與此同時，燃燒過程中產生的煙氣，其中含有大量余熱，除了將飽和蒸汽變成過熱蒸汽外，還預熱鍋爐給水和空氣，最后經煙囪排入大氣。1.3鍋爐設備的調節任務鍋爐作為重要動力設備，為了保證提供合格的蒸汽，必須使鍋爐的蒸發量隨時適應負荷設備的需要量。為此，生產過程的各個參數，特別是新汽的壓力和溫度，必須嚴格控制。一、控制汽包水位鍋爐汽包水位高度，是確保安全生產和提供優質蒸汽的重要參數，對現代工業生產來說尤其是這樣。因為現代鍋爐的特點之一就是蒸發量顯著提高，汽包容積相對變小，水位變化速度很快，稍不注意就容易造成汽包滿水或者燒成干鍋。在現代鍋爐操作中，即使是缺水事故，也是非常危險的，這是因為水位過低，就會影響自然循環的正常進行，嚴重時會使個別上水管形成自由水面，產生流動停滯，致使金屬管壁局部過熱而爆管。無論滿水或缺水都會造成事故，因此，必須嚴格控制水位在規定范圍之內。二、控制蒸汽溫度過熱蒸汽的溫度是生產工藝確定的重要參數，蒸汽溫度過高會燒壞過熱器水管，對負荷設備的安全運行帶來不利因素。因為現代的蒸汽鍋爐，金屬強度的安全系數設計得都比較小，超溫嚴重會使汽機或其它負荷設備膨脹過大，使汽機的軸向推力增大而發生事故。汽溫過低直接影響負荷設備的使用，對汽機來說會影響效率，進汽溫度每降低5℃，效率約降低1%。因此從安全生產和技術經濟指標上看，必須保持蒸汽溫度在額定值范圍之內。三、控制蒸汽壓力蒸汽壓力是衡量蒸汽供求關系是否平衡的重要指標，是新汽的重要工藝參數。蒸汽給定壓力過高或過低，對于金屬導管和負荷設備都是不利的:壓力太高，會加速金屬的蠕變，壓力太低就不可能提供各負荷設備符合質量的蒸汽。在運行過程中，蒸汽壓力降低，表明蒸汽消耗量大于鍋爐發汽量;反之，蒸汽壓力升高，說明蒸汽消耗量小于鍋爐發汽量。因此嚴格控制蒸汽壓力，是確保安全生產的需要，也是維持正常生產負荷的需要。四、維持經濟燃燒使空氣和燃料維持適當比例，是燃燒過程的最佳操作條件，是提高鍋爐效率和經濟性的關鍵措施。將過剩空氣降低到近于理想水平而又不出現CO和冒黑煙，這就需要快速而精確的燃燒過程的自動調節，最佳的空氣、燃料配比。如果離開最適宜的空燃比，勢必增加熱量損失，降低經濟技術指標.并造成對周圍環境的污染。五、控制爐膛壓力鍋爐在正常運行中，爐膛壓力也必須保持在規定的范圍之內。如果是負壓操作，則負壓偏正，局部地區容易噴火，不利于安全生產，不利于環境衛生，負壓過大，漏風嚴重，總風量增加，煙氣熱損失增大，不利于經濟燃燒。由于燃燒室的空間很大，加之介質密度差產生的自升引力，使沿著爐膛向上負壓越來越大，所以保持某個高度上的負壓是必要的，可行的。六、控制一次風量粉煤直吹制鍋爐，為了安全地、經濟地將粉煤輸入爐膛，保證良好的燃燒條件，一次風量也需要自動調節。對于高壓鍋爐，有時還需自動調節鍋爐的連續排污量以保證鍋爐水中含鹽量為額定值。為實現上述調節任務，鍋爐設備控制劃分為如下幾個調節系統:1.鍋爐給水調節系統:即鍋爐汽包水位的控制。其被調參數為汽包水位，調節手段為給水流量，它主要考慮汽包內部的物料平衡，使給水量適應蒸發量，維持汽包中水位在工藝允許范圍內。是鍋爐汽包內部重要的調節系統。2.蒸汽壓力調節系統:被調參數是蒸汽母管壓力，在孤立運行鍋爐中，為蒸汽壓力，主要考慮鍋爐內部的熱量平衡，其通道很長，包括鍋爐燃燒系統和蒸汽發生系統，它是整臺鍋爐設備自動調節當中的核心。3.經濟燃燒調節系統:被調參數隨著測量方式的不同而異，主要考慮燃燒系統的經濟燃燒問題，通道也比較長，包括燃燒系統和煙道。4.爐膛負壓調節系統:被調參數為爐膛負壓，主要考慮燃燒過程的物料平衡，調節通道包括爐膛和煙道。5.蒸汽溫度調節系統:被調參數為過熱器出口過熱蒸汽的溫度，主要考慮過熱器的熱量平衡問題。1.4本文研究內容本文將對現有的模糊控制器進行歸納、對比及創新，對鍋爐水位控制系統的模糊控制進行結構及性能上的分析比較，并利用MATLAB中的模糊邏輯工具箱進行設計、仿真及分析。本文利用模糊控制不要求知道被控對象的精確數學模型，具有不精確推理的特性，設計模糊控制器，以解決汽包水位的非線性、時變及滯后的特性，同時具有較好的穩定性及魯棒性，做了一些試探性研究并利用Simulink分別在設定值及在干擾作用下對控制系統進行仿真。2．鍋爐汽包水位特性及其控制2.1鍋爐汽包水位的特性鍋爐汽包水位自動調節的任務是使給水量跟蹤鍋爐的蒸發量，并維持汽包中的水位在工藝允許的范圍內。維持汽包水位在給定范圍內是保證鍋護和汽輪機安全運行的必要條件，也是鍋爐正常運行的主要指標之一。水位過高，會影響汽包內汽水分離效果，使汽包出口的飽和蒸汽帶水增多，蒸汽帶水會使汽輪機產生水沖擊，引起軸封破損、葉片斷裂等事故。同時會使飽和蒸汽中含鹽量增高，降低過熱蒸汽品質，增加在過熱器管壁和汽輪機葉片上的結垢。水位過低，則可能破壞自然循環鍋爐汽水循環系統中某些薄弱環節，以致局部水冷管壁被燒壞，嚴重時會造成爆炸事故。這些后果都是十分嚴重的。隨著鍋爐容量的增加，水位變化速度愈來愈快，人工操作愈來愈繁重，因此對汽包水位實現自動調節提出了迫切的要求。汽包水位不僅受汽包中儲水量的影響，亦受水位下汽泡容積的影響。而水位下汽泡容積與鍋爐的負荷、蒸汽壓力、爐膛熱負荷等有關。因此，影響水位變化的因素很多，其中主要是鍋爐蒸發量即蒸汽流量D和給水流量W。2.1.1汽包水位在給水流量W作用下的動態特性圖2.1是鍋爐汽包水位在給水流量作用下，水位的階躍響應曲線。把汽包水位看作單容量無自衡過程，水位的階躍響應曲線如圖中的Hl線。圖2.1給水流量作用下水位階躍響應但是由于給水溫度比汽包內飽和水的溫度低，所以給水流量增加后，從原有飽和水中吸收部分熱量，這使得水位下汽泡容積有所減少，當水位下汽泡容積的變化過程逐漸平衡時，水位的變化就完全反映了由于汽包中儲水量的增加而逐漸上升。因此，實際水位曲線如圖中的萬線，即當給水量作階躍變化后，汽包水位一開始不立即增加，而要呈現出一段起始慣性段。用傳遞函數表示時，它近似于一個積分環節和時滯環節的串聯。系統特性可表示為:2-1式中K1—反應速度，即給水流量改變單位流量時水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時)。從式2-1可知，汽包水位在給水流量作用下的動態特性由一個積分環節和一個滯后環節所組成，Kl、T1的數值可通過實驗測試求得，數值的大小同鍋爐的結構有關。有些鍋爐當給水量增加時，在較長的一段時間里，汽包水位并不增加，有一較長的起始慣性段，對于這種鍋爐用式2-1來表示它的動態特性，誤差較大，這時可選用下面近似計算：2-2式中，τ

—給水量擾動后的純滯后時間，對非沸騰式省煤器的鍋爐，τ

這時為30至100秒;對于沸騰式省煤器的鍋爐，τ

為100至200秒;K0一水位的反應速度。給水溫度越低，時滯τ

亦越大。由此可見，汽包水位調節對象的動態特性可以有二種形式:反應曲線變化最快的可用式(2-1)表示，這時的動態特性可以等效為一個積分環節和一個慣性環節相串聯;另外也可用式(2-2)表示，相當于一個積分環節和一個純滯后環節的串聯。對于不同的鍋爐設備，究竟采用何種形式的傳遞函數來表示它的動態特性，還要根據具體條件來定，原則是:表達特性最符合實際情況、傳遞函數式盡可能地簡單。總之，汽包水位調節對象在給水量作用下，具有純遲延和慣性，無自衡能力。具體特性可用二種形式來描述，究竟采用何種形式，可根據鍋爐結構和汽化強度來定。2.1.2汽包水位在蒸汽流量D擾動下的動態特性在蒸汽流量刀擾動作用下，水位的階躍響應曲線如圖2.2所示。當蒸汽流量突然增加，從鍋爐的物料平衡關系看，蒸汽流量D大于給水量磯水位應下降，如圖中曲線H1。但實際并非如此，由于蒸汽用量增加，瞬間導致汽包壓力的下降。汽包內水的沸騰突然加劇，水中汽泡迅速增加，由于汽泡容積增加而使水位變化的曲線如圖中的H2線。因此，實際的水位曲線為H1+H2，即為圖中的H。從圖中可以看出，當蒸汽負荷增加時，水位不僅不下降反而上升，然后再下降(反之，蒸汽流量突然減少時，則水位先下降，然后再上升)，這種現象稱之為“虛假水位”。當汽水混合物中汽泡容積與負荷相適應達到穩定后，水位才反映出物料的不平衡，開始下降。應該指出，當負荷階躍改變時，水面下汽泡容積變化引起的水位變化是很快的，圖2.2中H2的時間常數只有10~20秒。蒸汽流量擾動時，水位變化的動態特性可表示為:2-3式中，Kf一一響應速度，即蒸汽流量變化單位流量時，水位的變化速度，單位為毫米/秒或(噸/小時)。K2一一響應曲線玩的放大系數T2一一響應曲線的時間常數圖2.2蒸汽流量擾動下水位階躍響應“虛假水位”變化的幅度與鍋爐的汽壓與蒸汽量有關，對于一般100一230噸/小時的中高壓鍋爐，如負荷階躍變化10%時，“虛假水位”現象可使水位變化達30一40毫米。由于“虛假水位”現象屬于反向特性，其出現的水位最大偏差很難依靠調節來克服，如果要求水位波動不能太大，只有限制負荷D的變化速度或限制負荷一次變化量。由此可見，汽包水位調節對象在蒸汽流量擾動下，非但沒有自平衡能力，而且存在著“虛假水位”現象，“虛假水位”的變化速度很快，變化幅度與蒸發量擾動大小成正比，也與壓力變化速度成正比，在設計調節系統時必須考慮。2.1.3燃料量B擾動下汽包水位的動態特性汽包水位在燃料量B擾動下的響應曲線如圖2.3所示。當燃料量增加時，鍋爐的吸熱量增加，蒸發強度加大。如果負荷的用汽量不加調節，則隨著汽包壓力的增加，汽包輸出蒸汽量也將增加，于是蒸發量大于給水量，暫時產生了汽包進出口工質流量的不平衡。由于水面下的蒸汽容積增大，此時也會出現虛假水位現象，但由于燃燒率的增加也將同時導致汽包壓力上升，它會使汽泡體積減小，另外由于熱慣性，燃料量的增加只使蒸汽量D緩慢增加，故虛假水位現象要比蒸汽擾動下緩和的多。圖2.3燃料量擾動下水位階躍響應2.2汽包水位控制方式給水控制的任務是維持汽包中水位在工藝允許范圍內。由于影響汽包水位的幾個因素中，燃料量的擾動影響較小，因此，汽包水位的控制中，主要的目的是以汽包水位為被控變量，以調節給水流量為控制手段。同時，由于汽包水位不僅受鍋爐側的影響，也受到汽輪機側的影響，當鍋爐負荷變化或汽輪機用汽量變化時，給水控制都應能限制汽包水位只在給定的范圍內變化。常用的汽包水位控制方式有單沖量、雙沖量及三沖量控制。這里的沖量指的是變量。圖2.4汽包水位單沖量控制原理圖及方框圖2.2.1單沖量控制方式單沖量水位控制方式原理圖及方框圖如圖2.4所示。它是汽包水位自動調節中最簡單、最基本的一種形式。它引入汽包水位作為反饋量，是典型的單回路定值控制系統。此方式將水位測量信號經變送器送到水位調節器，水位調節器根據水位測量值與給定值的偏差去控制給水閥門，改變給水量來保持汽包水位在允許的操作范圍內。這種控制方式，在停留時間較長，負荷也比較穩定的場合，再配上一些聯鎖報替裝置，也可以保證安全操作.但在停留時間較短，負荷變化較大時，采用此方式就不合適。這是由于:1)負荷變化時產生的“虛假水位”，將使調節器反向錯誤動作，負荷增大時反向關小給水調節閥，一到閃急汽化平息下來，將使水位嚴重下降，波動很大，動態品質很差。2)負荷變化時，控制作用緩慢。即使“虛假水位”現象不嚴重，從負荷變化到水位下降要有一個過程，再由水位變化到閥動作己滯后一段時間。如果水位過程時間常數很小，偏差必然相當顯著。3)給水系統出現擾動時，閥門動作緩慢。假定給水泵的壓力發生變化，進水流量立即變化，然而到水位發生偏差而調節閥動作，同樣不夠及時。總之，單沖量汽包水位調節的優點是:系統結構簡單，在汽包容量比較大、水位在受到擾動后的反應速度比較慢、“假水位”現象不很嚴重的場合，采用單沖量水位調節是能夠滿足生產要求的。2.2.2雙沖量控制方式在汽包水位控制中，最主要的擾動是負荷的變化。如果引入蒸汽流量來校正，就構成了雙沖量控制系統。這樣不僅可以補償“虛假水位”的引起的誤動作，而且使給水調節閥的動作及時，如圖2.5所示。圖中，cl、q為加法系數，G2為蒸汽流量擾動下，汽包水位的傳遞函數。圖2.5汽包水位雙沖量控制原理圖及方框圖從本質上看，雙沖量控制系統是一個前饋加單回路反饋控制系統的復合控制系統。這種調節系統的特點是:1)引入蒸汽流量前饋信號可以消除“虛假水位”對調節的不良影響，當蒸汽量變化時，就有一個使給水量與蒸汽量同方向變化的信號，可以減小或抵消由于“虛假水位”現象而使給水量與蒸汽量相反方向變化的誤動作，使調節閥一開始就向正確的方向移動。因而大大減小了給水量和水位的波動，縮短了過渡過程的時間。2)引入了蒸汽流量前饋信號，能夠改善調節系統的靜態特性，提高調節質量。當C1、C2選擇匹配時，系統的靜態特性是無差的。雙沖量調節由于有以上特點，所以能在負荷變化頻繁的工況下比較好的完成水位調節任務。在給水壓力比較平穩時，采用雙沖量調節是能夠達到調節要求的。雙沖量調節存在的問題是:調節作用不能及時反映給水側的擾動，當給水量擾動時，調節系統等于單沖量調節。因此，如果給水母管壓力經常有波動，給水調節閥前后壓差不易保持正常時，不宜采用雙沖量調節。同時調節閥的工作特性不一定是線性的，這樣要做到靜態補償就比較困難。2.2.3三沖量控制方式目前鍋爐都向大容量高參數的方向發展，一般講鍋爐容量越大，汽包的容水量相對就越小，允許波動的蓄水量就更少。如果給水中斷，可能在10-20秒內就會發生危險水位;如僅是給水量與蒸發量不相適應，在一分鐘到幾分鐘內也將發生缺水或滿水事故。這樣對水位控制要求就更高了。鍋爐給水量在運行中經常會有自發性的變化，當幾臺鍋爐并列運行時，還可能發生幾臺鍋爐的水位調節互相干擾的現象。當某一臺鍋爐負荷和給水量改變時，引起給水母管壓力波動，而使其它鍋爐的給水量受到擾動。在雙沖量水位調節中，對于給水量這種自發變化不能及時反映出來，要經過一定的遲延時間之后，給水量的擾動才能通過汽包水位的變化而被發覺，此后在克服擾動時，幾臺鍋爐的水位調節又互相影響，使得調節過程非常復雜。針對上述情況，為了把水位控制平穩，在雙沖量水位調節基礎上引入了給水流量信號，由水位H、蒸汽流量D和給水流量W組成了三沖量汽包水位調節系統，汽包水位H是被調量，是主沖量信號，蒸汽流量D、給水流量W是兩個輔助沖量信號。圖2.6汽包水位三沖量前饋一反饋控制原理圖及方框圖1)前饋一反饋控制方式前饋一反饋控制方式的原理圖及方框圖如圖2.6所示，從方塊圖上可以看出，這個系統有兩個閉合回路:(1)是由給水流量W、給水分流器aw、調節器Gc。、調節閥Gv組成的內回路。(2)由水位調節對象G1和內回路構成的主回路。蒸汽流量D、分流器aD、對象G2均在閉合回路之外，它的引入可以改善調節質量，但不影響閉合回路工作的穩定性。所以該系統的實質是前饋加反饋的調節系統。為了確保當負荷變化時水位無余差，必須保證物料平衡，由此確定分流系數aw，aD的值。2)前饋一串級控制方式前饋一串級控制方式的原理圖及方框圖如圖2.7所示，該方案與前饋一反饋控制方式相似，僅是加法器位置從調節器前移至調節器后。此方案不管系數如何設置，當負荷變化時，液位可以保持無差。圖2.7汽包水位三沖量前饋一串級控制原理圖及方框圖3．模糊控制原理3.1概述3.1.1模糊控制的形成人們往往都會有這樣的體驗，我們每天都會遇到大量的模糊概念和模糊現象，比如，“天很熱”、“這小孩真漂亮”、“他的個子很高”等等，這里的“很熱”、“真漂亮”、“很高”都是模糊概念。它們無法用經典數學方法來度量，但是大家用這些模糊概念來描述時我們卻都能明白對方說的是什么意思，一般并不會引起誤解和歧義。正是由于模糊現象客觀存在于人類思維、社會現象和自然界中，為了描述這些現象形成了模糊數學。模糊數學最早于1965，由美國加利福尼亞大學的L.A.Zdaha教授提出。它的出現打破了經典數學，“非對即錯”、“非0即1’’的局限性。模糊數學是建立在模糊集合基礎之上的，模糊集合相對于經典集合的最大不同就是引入隸屬函數。經典集合對集合中的對象關系進行嚴格劃分，一個對象要么完全屬于這個集合，要么完全不屬于這個集合，不存在介于二者之間的情況。而模糊集合則允許其中的元素部分隸屬，即對象在模糊集合中的隸屬度可以取0到1中的任何值。在控制工程中，傳統的控制系統的設計，都需要了解被控制對象的數學模型。但是工業生產過程中，要得到精確的數學模型有時是非常困難的，甚至是不可能的。然而，一個熟練的操作人員卻可以不依賴于數學模型，僅依賴于人的經驗知識、感覺和邏輯判斷，取得較好的人工控制效果。由此，人們加以總結，可以把憑經驗所采取的相應措施總結成一條條控制規則，如水位太高則減小給水量，溫度太低則增加燃燒量等等。由這些規則所構成的控制器對復雜的生產過程進行控制，由于這些規則基于模糊邏輯，是模糊數學與控制技術相結合的產物，這種控制方式就是模糊控制3.1.2模糊控制的特點由于模糊控制利用模糊的概念，不用建立數學模型，根據實際系統的輸入和輸出結果數據，參考現場操作人員的運行經驗，就可以對系統進行實時控制，實際是一種非線性控制，屬于智能控制的范疇。它具有如下一些突出優點:1)模糊控制是一種基于規則的控制，它直接采用語言型控制規則，其依據是現場操作人員的控制經驗或相關專家的知識，在設計中不需要建立被控對象的精確數學模型，因而使得控制機理和策略易于接受與理解，設計簡單，便于應用。2)由工業過程的定性認識出發，比較容易建立語言控制規則，因而模糊控制對那些數學模型難以獲取，動態特性不易掌握或變化非常顯著的對象非常適用。3)基于模型的控制算法及系統設計方法，由于出發點和性能指標的不同，容易導致較大差異;但一個系統語言規則卻具有相對獨立性，利用這些控制規律間的模糊連接，容易找到折中的方案，使控制效果優于常規控制器。模糊控制是基于啟發性知識及語言決策規則設計的，這有利于模擬人工控制的過程和方法，增強控制系統的適應能力，使之具有一定的智能水平。4)模糊控制系統的魯棒性強，干擾和參數變化對控制效果的影響被大大減弱，尤其適合于非線性，時變及純滯后系統的控制。簡單的模糊控制器與常規的控制器相比具有一定的優點，然而它也存在一些缺陷:1)精度不太高。這主要是由于模糊控制表的量化等級有限而造成的，通過增加量化等級數目雖可以提高精度，但查詢表將過于龐大，須占用較大空間，使運算時間增加。實際上，如果模糊控制器不引入積分機制，原則上誤差總是存在的。2)自適應能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，當對象參數隨環境的變遷而變化時，它不能對自己的規則進行有效的調整，從而使其良好的性能不能得到充分的發揮。3)易產生振蕩現象。如果查詢表構造不合理，或量化因子和比例因子選擇不當，都會導致振蕩。針對上述不足，人們提出了許多方案，模糊PID功控制就是其中常用且有效的一種形式。3.2模糊控制系統組成一．組成部分模糊控制系統一般可分為五個組成部分：1）模糊控制器，是各類自動控制系統中的核心部分。2）輸入/輸出接口。模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控制對象獲取數字信號量，并將模糊控制器決策的輸出數字信號經過數模轉換，將其轉變為模擬信號，然后送給被控對象。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A轉換外，還包括必要的電平轉換電路。3）執行機構。各類電動機、調節閥等。4）被控對象。對于那些難以建立精確數學模型的復雜對象，更適宜采用模糊控制。5）傳感器。傳感器是將被控對象或過程的被控量轉換為電信號的一類裝置。給定給定被控對象A/D模糊控制器D/A執行機構傳感器被控量圖3.1模糊控制系統圖二．模糊控制器的基本結構知知識庫模糊化模糊推理清晰化控制對象輸出 圖3.2模糊控制器的基本結構模糊化的作用是將輸入的精確量轉換為模糊化量。其輸入量包括外界的參考輸入、系統的輸出或狀態等。模糊化的具體過程如下：1）首先對這些輸入量進行處理，以變成模糊控制器要求的輸入量。2）將上述已經處理過的輸入量進行尺度變換，使其變換到各自的論域范圍。3）將已經變換到論域范圍的輸入量進行模糊處理，使原先精確的輸入量變成模糊量，并用相應的模糊集合來表示。三．知識庫知識庫包含了具體應用領域中的知識和要求的控制目標。它通常由以下兩部分組成。1）數據庫。數據庫所存放的是所有輸入、輸出變量的全部模糊子集的隸屬度矢量值，若論域為連續域，則為隸屬度函數。在規則推理的模糊關系方程求解過程中，向推理機提供數據。數據庫中包含了與模糊控制規則及模糊數據處理有關的各種參數，其中包括尺度變換參數、模糊空間分割和隸屬度函數的選擇等。①輸入量的變換。對于實際的輸入量，第一步首先要進行尺度變換，將其變換到要求的論域范圍。變換的方法可以是線性的，也可以是非線性的。論域可以是連續的，也可以是離散的。若要求離散的論域，則要求將連續的論域離散化或量化。量化查是均勻的，也可以是非均勻的。②輸入和輸出空間的模糊分割。模糊控制規則的輸入和前提的語言變量構成模糊輸入空間，結論的語言變量構成模糊輸出空間。每個語言變量的取值為一組模糊語言名稱，它們構成了語言名稱的集合。每個模糊語言名稱對應一個模糊集合。對于每個語言變量，其取值的模糊集合具有相同的論域。模糊分割是要確定對于互個語言變量取值的模糊語言名稱的個數，模糊分割的個數決定了模糊控制精細化的程度。這些語言名稱通常均具有一定的含義。模糊分割的個數也決定了最大可能的模糊規則的個數，模糊分割數年越多，控制規則數年也越多，因此模糊分割不可太細，否則需要確定太多的控制規則，這也是很困難的一件事。當然，模糊分割太小癬導致控制太粗略。確定分割數主要依靠經驗和試湊。③模糊控制的完備性對于數據庫的要求：對于任意輸入，若能找到一個模糊集合，使該輸入對于該模糊集合的隸屬度函數不小于ε。對于規則庫的要求:對于任意的輸入應確保至少有一個可適用的規則，而且規則的適用度應大于某個數，根據完備性要求，控制規則不可太少。④模糊集合的隸屬度函數。根據論域為離散和連續的不同情況，隸屬度函數的描述有如下方法：A、數值描述方法。當論域為離散，且元素個數為有限時，模糊集合的隸屬度函數可以用向量或表格的形式來表示。B、函數描述方法。對于論域為連續的情況，隸屬度常常用函數的形式來描述，隸屬度函數的形狀對于模糊控制器的性能有很大影響。通常，當誤差較小時，隸屬度函數可取得較為窄小，誤差較大隸屬度函數可取寬大些。3.3模糊控制的工作原理3.3.1模糊控制系統的組成圖3.3模糊控制系統組成模糊控制系統屬于計算機控制的一種形式，其組成類同于一般的數字控制系統，其組成框圖如圖3.1所示。一般可以分為五個組成部分:1)模糊控制器:模糊控制的核心部分。一般為一臺微計算機，根據控制系統的需要，既可選用系統機、又可選用單板機或單片機。隨著近幾年來日本、美國推出的專用模糊芯片，也可以選用。模糊控制系統中的控制器采用的是基于知識表示和規則推理的語言型控制器，這是模糊控制系統區別于其他自動控制系統的特點所在。2)輸入/輸出接口裝置:模糊控制器通過輸入/輸出接口從被控對象獲取數字信號量，并將模糊控制器決策的數字信號經過數模變換，將其轉變為模擬信號，送給執行機構去控制被控對象。在I/O接口裝置中，除A/D、D/A從轉換外，還包括必要的電平轉換電路。3)執行機構:包括各種交、直流電動機，伺服電動機，步進電動機，氣動調節閥，液壓機構等等。4)被控對象:被控對象是一種設備或裝置以及它們的群體，或是一個生產、自然、社會的生物等等的狀態轉移過程。它可以是線性或非線性的、定常或時變的，也可以是單變量或多變量的、有時滯或無時滯的以及有強干擾的多種情況。被控對象缺乏精確數學模型的情況適宜選擇模糊控制，但具有較精確的數學模型的被控對象，也同樣可以采用模糊控制方案。5)傳感器:傳感器是將被控對象或各種過程的被控制量轉換為電信號(模擬的或數字的)的一類裝置。被控制量往往是非電量，如溫度、壓力、流量、濃度、濕度等。傳感器在模糊控制系統中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影響整個控制系統的精度。因此，在選擇傳感器時，應注意選擇精度高且穩定性好的傳感器。3.3.2模糊控制的基本原理為說明模糊控制的基本原理以單沖量鍋爐汽包水位的模糊控制系統為例。鍋爐汽包水位模糊控制系統由汽包、水位傳感器、模糊控制器和給水調節閥組成(系統組成框圖如圖2.4)。當汽包水位連續變化時，水位變送器信號也不斷改變。將此測量值與水位給定值進行比較，得到偏差量E，偏差量E經采樣和A/D轉換，送入模糊控制器，模糊控制器的輸出控制量經D/A轉換、信號放大去控制給水調節閥，改變給水量，從而使水位保持在允許的范圍內變化。由上述模糊控制的過程來看，它與一般反饋控制的思路一致。但是，模糊控制器處理的是模糊變量，而非一般反饋控制的精確變量。因此，偏差量E在送入模糊控制器之后應先進行模糊量化，將E變成模糊量，如水位偏高，偏低、偏差為。等等。量化后的模糊量，在模糊控制器中根據規則庫進行推理，得到一個模糊輸出量。由于執行機構即給水調節閥只能接受精確信號，故在DA/轉換前模糊控制器還要將模糊輸出量轉換成為精確的數字信號，此數字信號經D/A轉換后得到精確的控制量，再送給調節閥改變水量。規則庫是根據人的操作經驗或專家經驗知識，按人的直覺推理的一種語言表示形式。通常由一系列關系詞連接而成，如上例汽包水位控制系統中，控制規則可以用語言描述如下:若水位偏高則減小給水量，偏高得越多給水量越小;若水位偏低則增加給水量，偏低得越多給水量越大;若水位偏差為0，給水量保持不變;綜上所述，模糊控制算法可格括為下述四個步驟:1)根據本次采樣得到的系統的輸出值，計算系統的輸入變量;2)將輸入變量的精確值變為模糊量;3)根據輸入變量(模糊量)及模糊控制規則，按模糊推理合成規則計算控制量(模糊量);4)由上述得到的控制量(模糊量)計算精確的控制量。4．汽包水位模糊控制器設計及仿真4.1汽包水位的PID控制方式大部分的三沖量控制系統中，其控制器使用的是PID控制器，為作對比這里首先對此方式進行仿真實驗。本文所有的仿真實驗均基于MATLAB6.5軟件，利用其所提供的Simulink相應工具箱進行仿真。4.1.1PID控制方式概述一、連續系統PID控制原理PID調節器是一種線性調節器，這種調節器是將設定值r(t)與輸出值c(t)進行比較構成控制偏差e(t)=r(t)-c(t)將其按比例、積分、微分運算后，并通過線性組合構成控制量，如圖.42所示，所以簡稱為P(比例)、I(積分)、D(微分)調節器。圖4.1PID調節器控制系統框圖其常用的表示形式為:4-1或:4-2其中為輸出;Kp為比例系數;e為偏差:Ti為積分時間常數;Td為微分時間常數;Ki=Kp/TiKd=KpTd在PID控制的三個作用中，比例作用是基本控制作用。增大比例系數價一般將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過大的比例系數會使系統有較大的超調，并產生振蕩，使穩定性變壞。但單純采用比例控制，當對象具有自衡特性時，系統將有余差。為消除系統余差，通常引入積分作用。引入積分作用后系統響應時間增長，增大積分時間常數Ti有利于減小超調，但系統靜差的消除將隨之減慢。微分作用的引入是為了改善高階對象的控制品質，因為微分作用是按照偏差的變化趨勢來控制，具有及時性。增大微分時間常數幾也有利于加快系統響應,使超調量減小，穩定性增加，但系統對擾動的抑制能力減弱。因為微分作用的引入會把高頻干擾放大得很大，反而可能使系統調節品質降低。因此對于噪聲大的對象，一般不引入微分作用，或者先將測量值濾波。4.2模糊控制器的設計方法4.2.1模糊控制器的結構設計模糊控制器的結構指的是確定哪些變量是它的輸入變量，哪些變量是它的輸出變量。由于模糊控制規則是總結操作人員控制經驗得到的，所以，選擇的變量應當是操作人員能觀察到的變量。一般而言，通常選擇被控對象的輸出變量與設定值的偏差、偏差的變化、偏差變化的變化等，作為模糊控制器的輸入變量，而把控制量作為模糊控制器的輸出變量。根據模糊控制器輸入變量的個數，可分為一維模糊控制器，二維模糊控制器，三維模糊控制器等等。其結構示意如圖3.2所示。圖4.1模糊控制器的結構從理論上講，模糊控制器的維數越高，控制精度越高，控制越精細。但是維數太多，控制規則變得十分龐大，控制算法實現困難。故工業生產過程中一般選用二維模糊控制器，即把被偏差及偏差的變化作為模糊控制器的輸入變量。4.2.2精確輸入量的模糊化由于偏差及偏差的變化都是精確的輸入值，要采用模糊控制技術就必須首先把它們轉換成模糊集合的隸屬函數。每一個輸入值都可對應一個模糊集合，某一范圍連續變化的值就可有無限多個模糊集合，這在工程實踐中是無意義的。為了便于工程實現。通常把輸入變量范圍人為地定義成離散的若干級，所定義級數的多少取決于所需輸入量的分辨率。1、選擇輸入、輸出量的詞集模糊控制器的控制規則表現為一組模糊條件語句，具有“if··…than……”的形式。在條件語句中描述輸入變量的一些詞匯如“正大”、“負小”等的集合，稱為該變量的詞集。選擇模糊詞集時不一定是選擇的數量越多就越好，而需要兼顧簡單性和靈活性兩方面。一般說，每個變量以選用2一10個模糊語言為宜。由于人們一般習慣把事物分成三個等級，如大、中、小;好、中、差等等，所以一般都采用“大、中、小”三個詞匯來描述模糊控制器的輸入變量的狀態。這些詞集同樣也適用于輸出變量。同時人的行為在正負兩個方向上的判斷基本上是對稱的，將大、中、小再加上正、負兩個方向并考慮變量的0值，根據經驗，控制精度要求高的場合可選七個詞匯，如負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。控制精度要求一般的場合可選5個模糊狀態，如負大(NB)、負小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正大(PB)。在有些場合也可選3個模糊狀態。如負(N)、零(ZO)、正(P)。2、量化因子確定好模糊詞集后，應將輸入的連續變化的精確量離散化，以進行模糊量化。通常將輸入變量變化的實際范圍稱為基本論域，正如前面所述，在某一基本論域內連續變化的輸入量，可有無限多個模糊集合，通常把輸入變量范圍離散成若干級，即為模糊子集的論域。為了買現模糊控制器的設計，目前常用瑪達尼提出的方法，即把輸入變量所取的模糊子集的論域范圍設定為[-6，+6]區間的離散變化量，使之構成含13個整數元素的離散集合:{一6，一5，一4，一3，一2，一l，0，1，2，3，4，5，6}其中的每個離散元素對應一個模糊變量等級，習慣上有:“正大”(PB):可取在6附近;“正中”(PM):可取在4附近;“正小”(PS):可取在2附近;“零”(20):可取為零;“負小”(NS):可取在一2附近;“負中”(NM):可取在一4附近;“負大”(NB):可取在一6附近。應注意的是，實際輸入精確量的基本論域變化范圍一般與模糊子集的論域不在同一區間內，此時必須將輸入變量乘以量化因子。設輸入精確量x的基本論域范圍為[a，b]，則可根據下式進行轉換:12[x-(a+b)/2]/(b-a)若根據上式計算出的數值不是整數，可以把它歸為最接近的整數。3、定義模糊變量的模糊子集定義模糊子集，就是要確定模糊子集(即前述的模糊狀態或模糊語言值)隸屬函數曲線的形狀，將確定的隸屬函數曲線離散化，即可得到有限個點上的隸屬度。所謂隸屬度是指元素屬于模糊子集的程度。因每一離散化的輸入精確量對所有的模糊子集具有不同的隸屬度，從中找出隸屬度最高的一個子集即為該輸入的模糊狀態。在模糊控制領域，經常使用的隸屬函數一般有以下幾種:1)對稱三角形(等腰三角形)其隸屬曲線如圖3.3所示，一般可描述為下式:圖4.2對稱三角形隸屬函數曲線2)對稱梯形(等腰梯形)其隸屬曲線如圖3.4所示，一般可描述為下式:圖4.3對稱梯形隸屬函數曲線3)正態型其隸屬曲線如圖3.5所示，一般可描述為下式:4-7圖4.4正態形隸函數曲線4.2.3確定控制規則控制規則是模糊控制器的核心。在選擇好描述輸入、輸出變量的模糊語言即模糊狀態后，即可確定控制規則。控制規則是用一系列基于專家知識的語言來描述表征的，專家知識常采用形如“如果‘那么”規則的形式，而這些規則通過模糊條件描述用模糊邏輯是很容易實現的。用一系列模糊條件描述表達的模糊控制規則就構成模糊控制的規則庫。1、模糊規則確定方法建立模糊控制規則表的基本思想應是盡量減小誤差，保證系統工作的穩定性。其總的原則是:當誤差較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主:而當誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩定性為主。模糊控制規則的生成有四種形式，這四種形式并不相互排斥，要建立一個有效的模糊控制規則庫，應把四種形式結合起來。1)專家經驗和控制工程知識模糊規則采用模糊條件句形式，即基于用模糊“如果一那么”規則語言來表達知識和經驗的。此方法產生模糊控制規則可有兩種途徑:最常用的一種方法是對人的專業特長的回憶性語言描述。另一方法是通過精心組織的調查表與有經驗的專家和操作工進行對話。為優化性能，還必須進行反復剪裁，試驗。2)基于操作工的控制作用在工業界許多人一機控制系統中，輸入一輸出關系不能充分精確獲知，也就無法用經典控制理論來建模和仿真。然而，熟練的操作工雖沒有定量的模型卻能相當成功地操作這種系統。事實上，熟練操作工有意識或無意識地應用一系列“如果一那么”的模糊規則去控制過程。為了實現這種過程的自動化，就必須將操作工的控制規律用語言變量表達成模糊“如果一那么”規則，實踐中，這樣的規律能從以輸入一輸出操作數據形式的人工控制作用的觀察中推斷得到。3)基于過程的模糊模型在語言方法中，受控過程的動態特性的語言描述可以被看成為過程的模糊模型。在模糊模型基礎上，為獲得動態系統優化性能，我們可以生成一系列的模糊控制規則，模糊控制規則的集合就構成了模糊控制器的規則庫。雖然這種方法較為復雜，但是其性能和可靠性較好，同時為從理論上研究模糊控制器提供了一更容易處理的結構。但這種設計模糊控制器的方法還未被充分發展。4)基于學習此方式將重點放在人的學習能力上，在學習經驗的基礎上創造模糊控制規則和修改規則。它具有象人一樣的學習能力以創造和修改一般基于系統所期望的全部性能的數據庫。綜合以上幾種模糊規則的生成方式，如果輸入、輸出的模糊狀態均采用7個時(即負大、負中、負小、零、正小、正中、正大)，我們可以采用以下方法確定模糊規則:當誤差為負時，若誤差為負大，且誤差變化為負，這時誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的誤差并抑制誤差變大，控制量的變化取正大。比如鍋爐水位控制中，若誤差(誤差=設定值一實際值)為負說明實際水位高于設定水位，誤差變化為負說明實際水位有進一步增加的趨勢，根據經驗這種情況應是給水量太大引起的，如果執行機構的比例系數為負的話，那么控制量就應取為正大，即減小給水量。顯而易見，如果執行機構的比例系數為正時，則控制量應取為負大，即與執行機構的比例系數為負時的相反，這一點在生成控制規則時應引起注意。當誤差為負而誤差變化為正時，系統本身已有減小誤差的趨勢，所以為盡快消除誤差且又不出現超調，應取較小的控制量。具體而言，當誤差為負大且誤差變化為正小時，控制量的變化取為正中:若誤差變化為正大或正中時，控制量不宜增加，否則造成超調會產生正誤差，此時控制量取為0等級。當誤差為負中時，控制量的變化應使誤差盡快消除，則控制量的選取應與誤差為負大時相同。當誤差為負小時，系統接近穩態，若誤差變化為負時，選取控制量為正中，以抑制誤差往負方向變化;若誤差變化為正時，系統本身已有減小負小的誤差的趨勢控制量為正小。誤差為正時與誤差為負時相類同，符號應做相應的變化。根據以上闡述，結合實際操作經驗可得出表3.1所列的控制規則表，這是一個二維模糊控制器的模糊控制規則。其中E代表誤差，Ec代表誤差變化，表中的語言代表輸出的模糊控制量。如表中的第一行第一列所對應的規則為“如果E是負大且EC是正大，則輸出為零”，第一行第二列所對應的規則為“如果E是負中且Ec是正大，則輸出為零”，依此類推，于是可得到共49條控制規則。同時從該表中可看出，如果增加輸入、輸出的模糊狀態，則控制規則也相應增加，這會給模糊控制器的應用帶來困難。因此正如3.3.2節所說的，輸入輸出模糊狀態的選擇應適當。表4.1二維模糊控制規則EECNBNMNSZOPSPMPBPBOONMNBNBNBNBPMOONMNBNBNBNBPSPSPSONMNMNMNMZOPMPMPSONSNMNMNSPMPMPMPMONSNSNMPBPBPBPBPMOONBPBPBPBPBPMOO2、模糊控制規則的矩陣形式模糊控制規則實際上是一組多重條件語句。它可以表示為從誤差論域(設為X)到控制量論域(設為Y)的模糊關系(設為盡)。因為當論域是有限時，模糊關系可以用矩陣來表示。由于將精確量離散化時，將其分成有限的幾檔，每一檔對應一個模糊集，這使得論域x及Y均是有限的。模糊關系盡可用矩陣表示。根據前述的模糊控制的原理，模糊控制器根據誤差E的模糊狀態，經過模糊推理，決定模糊控制量。這一過程可表述為:由誤差E的模糊語言集合的一個子集弓(弓實際上是一個模糊向量，如表3.1中所列E的七個模糊狀態)和模糊控制規則盡(模糊關系)根據推理的合成規則進行模糊決策，得到模糊控制量u為:4-8上式是一個模糊矩陣的乘法運算。4.2.4模糊量的判決方法(解模糊)一、常用判決法:經過模糊推理得到的控制輸出是一個模糊隸屬函數或者模糊子集，它反映了控制語言的模糊性，這是一種不同取值的組合。然而在實際應用中要控制一個物理對象，只能在某一個時刻有一個確定的控制量，這就必須要從模糊輸出隸屬函數中找出一個最能代表這個模糊集合即模糊控制作用可能性分布的精確量，這就是解模糊判決。從數學上講，這是一個從輸出論域所定義的模糊控制作用空間到精確控制作用空間的映射。目前主要的方法是最大隸屬度法、中位數判決法和加權平均判決法。1、最大隸屬度法(MOM)這種方法最簡單，只要在推理結論的模糊集合中取隸屬度最大的那個元素作為輸出量即可。不過要求這種情況下其隸屬度函數曲線一定是正規凸模糊集合(即其曲線只能是單峰曲線)。如果該曲線是梯形平頂的，那么具有最大隸屬度的元素就可能不止一個，這時就要對這所有取最大隸屬度的元素求其平均值。如某模糊控制器的輸出為:則由于2的隸屬度最大為0.8，故2為解模糊的結果。但若輸出改為:則由于有隸屬度最大的模糊等級不只一個，可取它們的平均值作為解模糊的結果，即取1.5。這種判決方法的優點是簡單易行，缺點是它概括的信息量較少，因為它排除了其他一切隸屬度較小的元素的影響和作用。2、中位數判決法(Biseetor)計算隸屬函數曲線同橫坐標軸圍成區域的面積，取1/2面積處橫軸坐標為決策值的方法叫做中位數法。中位數法比最大隸屬度法包含了更多的信息。但是，它往往會導致隸屬函數不同而中位數相同的現象，無法突出主要信息，這顯然不合理。因此，中位數法較少采用。3、加權平均法(Centriod)加權平均法是將各等級隸屬度與該等級值相乘，并求乘積和，然后除以隸屬度和，所得值即為控制決策值，即:控制決策值=[(等級制×隸屬度)]/隸屬度如某模糊控制器的輸出為:則:(等級制×隸屬度)=（-3×0.5）+（-2×0.7）+（2×0.3）+（3×0.5）+（4×0.7）+（5×1）+（6×0.7）+（7×0.2）=12.6用軟件途徑進行模糊控制的具體實施辦法有兩種一是在控制過程中實時進行模糊推理和決策，這一方法的不足之處是存入模糊推理關系矩陣盡及要占用大量的內存，而且進行大量的模糊集合的交、并和合成運算，對計算機的運算速度要求比較高，因此這一方法一般不被人們采用。二是離線設計，即根據各種可能的輸入，經模糊推理和決策計算出相應的控制決策值，生成控制表，實時控制時查控制表進行控制，這是通常采用的方法。二、比例因子經上述判決算法給出的控制量還不能直接去控制被控對象，必須將其轉換到對象所能接受的變化范圍中去，即應通過比例因子將其轉換到輸出量的基本論域中去。比例因子與量化因子類似，也是由于考慮到論域變換引起的，對輸入變量而言量化因子確實具有量化效應，而對輸出而言比例因子只起比例作用。設計一個模糊控制器合理選擇輸入變量的量化因子和輸出變量的比例因子是非常重要的。4.